專利名稱：全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光光束偏轉(zhuǎn)角的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電測量技術(shù)領(lǐng)域，全數(shù)字化的四象限探測器檢測激 光光束偏轉(zhuǎn)角的裝置及方法。
技術(shù)背景目前，對激光光束偏轉(zhuǎn)角的測量主要采用的光電探測器有電荷耦合器件(CCD)、位置敏感器(PSD)和四象限探測器(QD)三種光 電探測器。由于電荷耦合器件(CCD)輸出的數(shù)據(jù)雖能直接反應(yīng)光斑 在光敏面上的位置，進(jìn)而根據(jù)其相對光敏面中心的偏移量得出激光束 的偏轉(zhuǎn)角(相對于光軸)，但是電荷耦合器件(CCD)的象素太多， 需要處理的數(shù)據(jù)量太大，不適合高動態(tài)范圍的激光束偏轉(zhuǎn)角的測量； 而位置敏感器(PSD)，其數(shù)據(jù)處理相對電荷耦合器件(CCD)而言 要簡單得多，但是由于其器件本身的參數(shù)特性，它的性能不如QD。 同時QD還廣泛用于視軸對準(zhǔn)、角度測量以及跟蹤等領(lǐng)域中。在專利"一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測裝置及其方法"(中國專利申 請，公開號CN 1487264A。)中，采用了四象限探測器作為其光電 傳感器，其處理電路如圖4所示。它由21前置放大電路模塊、22 和差電路模塊、23鎖相檢測電路模塊、24濾波電路模塊、25AD轉(zhuǎn) 換電路模塊、26單片機(jī)和27測量結(jié)果單元共六部分組成。四象限探 測器的四路經(jīng)前置放大電路后，進(jìn)行和差解算，然后通過鎖相檢測的方式，提取信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送往單片機(jī)進(jìn)行偏移量解算，最后由單片機(jī)將解算結(jié)果通過RS485接口送往上位機(jī)顯 示。由于它采用了和差電路，會引起四象限探測器四路信號間的串?dāng)_ 同時引入了額外的共模噪聲，并且不便于通過軟件的方式對通道間性 能的不均衡進(jìn)行補(bǔ)償，降低了解算精度；由于它采用的是單片機(jī)，其 解算精度和解算速度都受到限制，在該系統(tǒng)中，最快速度為90次/S。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要是為了解決激光束偏轉(zhuǎn)角QD檢測中光斑偏移量解 算速度和解算精度的不足，提供全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光光 束偏轉(zhuǎn)角的裝置及實現(xiàn)方法。本發(fā)明的基本構(gòu)思如下激光光束經(jīng)成像物鏡單元成像到QD傳 感器的光敏面上，由QD傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號先 經(jīng)過前置放大電路進(jìn)行前置放大，然后對信號進(jìn)行濾波，接著對濾波 后的信號進(jìn)行次級放大以及自適應(yīng)可變增益放大，然后送往AD轉(zhuǎn)換 電路，接著將AD轉(zhuǎn)換后的信號送往高速微處理器進(jìn)行光斑偏移量解 算，最后將解算后的激光束偏移角進(jìn)行顯示。如圖3所示，全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光束偏轉(zhuǎn)角的裝置 的構(gòu)成由四象限探測器l、前置放大電路模塊12、濾波電路模塊13、 次級放大電路模塊14、可變增益放大電路模塊15、 AD轉(zhuǎn)換模塊16、 高速微處理器模塊17和偏移量顯示模塊18構(gòu)成；前置放大電路模塊12、濾波電路模塊13、次級放大電路模塊14、 可變增益放大電路模塊15、 AD轉(zhuǎn)換模塊16、高速微處理器模塊17
和偏移量顯示模塊18依次連接，高速微處理器模塊17還與可變增益放大電路模塊15連接。相對于己有技術(shù)"一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測裝置及其方法"而言，本發(fā)明除采用前置放大電路12、濾波電路13、 AD轉(zhuǎn)換電路16、 偏移量顯示模塊18夕卜，還采用了 一、自適應(yīng)可變增益放大電路模 塊15，用以在入射激光光功率不穩(wěn)定時，確保較好的信噪比，以提 高偏轉(zhuǎn)角的解算精度；二、高速微處理器17，用以替代單片機(jī)進(jìn)行 數(shù)據(jù)解算，在進(jìn)行數(shù)字信號處理的時候能達(dá)到更高的解算精度和解算 速度；三、沒有采用和差電路和鎖相檢測，同時對于濾波電路的連接 位置作了調(diào)整，以便能更好地抑制噪聲；采用高速微處理器17取代 了單片機(jī)，以使在進(jìn)行數(shù)字信號處理的時候能達(dá)到更高的解算精度和 解算速度。提供全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光束偏轉(zhuǎn)角的方法，其步驟 和條件如下(1)調(diào)整QD光電探測器的光敏面相對于成像物鏡單元2的位置， 以調(diào)整成像光斑在QD光敏面上的大小如圖1所示，激光光束經(jīng)成像物鏡單元2聚焦到QD光電探測器1 上，要調(diào)整QD光電探測器的光敏面相對于成像物鏡單元2的位置， 使QD光電探測器的光敏面上的成像光斑3的大小能夠在0. 1倍到1 倍的QD光電探測器光敏面內(nèi)接圓直徑內(nèi)調(diào)整，這樣以達(dá)到最佳的探 測性能。(2)測量成像光斑在QD光電探測器四個象限所產(chǎn)生的光電流
如圖2所示，激光光束經(jīng)成像物鏡單元2后的成像光斑3位于QD 光電探測器1的光敏面2的四個象限第一象限4，第二象限5，第 三象限6和第四象限7中，QD光電探測器1將各個象限上的光能轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的電流，由于光電流與入射到對應(yīng)光敏面上的光功率成正 比，而光功率又與成像光斑在QD探測器四個象限內(nèi)所占的面積及光 斑能量分布有關(guān)，在光斑能量分布為均勻分布時，象限電流于該象限 所占光斑面積成正比，即測量該四個象限產(chǎn)生的電流的大小就可以得 到成像光斑相對于四象限探測器四個象限所形成的坐標(biāo)系的坐標(biāo)，進(jìn) 而可得到激光光束偏轉(zhuǎn)角。因為激光的譜線寬度很窄，相對于QD光電探測器1的光譜響應(yīng) 曲線來說，可以認(rèn)為激光源為線光源，即QD光電探測器的響應(yīng)度在 該激光光束波段范圍內(nèi)為常數(shù)，則QD光電探測器各象限的響應(yīng)電流 與該象限所得的光功率大小成正比。由于成像光斑3的光能在四個象 限上的分布不同，導(dǎo)致由QD光電探測器1轉(zhuǎn)換所得的各個象限的電 流的大小也不相同。它們直接反應(yīng)了光斑能量中心相對于QD光電探 測器像敏面四個象限所形成坐標(biāo)系內(nèi)的位置，并由該位置即可求的激 光束的偏轉(zhuǎn)角。(3)將四象限光電探測器所產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將其放大如圖3所示，QD光電探測器1將激光光束經(jīng)成像物鏡單元2后 的成像光斑3對應(yīng)于QD光電探測器四個象限上的光能及光斑的位置 信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的四路電信號第一象限所得電流8，令為I1;第二
象限所得電流9，令為I2;第三象限所得電流IO，令為I3;第四象 限所得光電流ll，令為14。這四路電流信號經(jīng)前置放大電路模塊12 將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將其放大。前置放大電路模塊12有如下3種實現(xiàn)方式(1)采用零偏放大的方式將由QD光電探測器所得的電流信號Il， 12， 13， 14直接轉(zhuǎn)換成 電壓信號，同時使之得到放大；(2)讓QD光電探測器工作在反相偏 壓的工作狀態(tài)下，采用直流放大的形式將由QD光電探測器所得的電 流信號I1，I2，I3，I4轉(zhuǎn)換為電壓信號，并使之放大；(3)讓QD光電 探測器工作在反相偏壓的工作狀態(tài)下，采用交流放大的形式將由QD 光電探測器所得的電流信號Il、 12、 13、 14轉(zhuǎn)換為電壓信號U1、 U2、 U3、 U4，并使之放大。(4)采用濾波電路模塊13，此為本發(fā)明的一發(fā)明點。濾波電路 模塊13加在此處，比"一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測裝置及其方法" (中國專利申請，公開號CN 1487264A)中加在鎖相檢測后能更好 地抑制噪聲。采用濾波電路模塊13對步驟(3)得到的前置放大后的電壓信號 Ul、 U2、 U3、 U4進(jìn)行濾波提高信噪比采用濾波電路模塊13對歩驟(3)得到的前置放大后的電壓信號 Ul、 U2、 U3、 U4進(jìn)行濾波，得到信號UL1、 UL2、 UL3、 UL4，提高信 噪比，根據(jù)光信號的頻帶以及應(yīng)用要求可設(shè)計具體的濾波電路以達(dá)到 最好的濾波效果，提高信噪比，提高光斑偏移量的解算精度。所以如此，是由于QD光電探測器固有噪聲、前置放大電路的固
有噪聲、背景噪聲等噪聲的影響，導(dǎo)致前置放大后的信號其信噪比較 低所致。(5) 采用次級放大電路模塊14，對濾波后的信號UL1、 UL2、 UL3、 UL4進(jìn)行再次放大，增大有效信號的幅度，提高信噪比。此為 本發(fā)明的一發(fā)明點，對信號進(jìn)行二次放大一是實現(xiàn)與濾波電路模塊的 阻抗匹配； 一是降低對前置放大器的性能要求。由于在進(jìn)行遠(yuǎn)距離的激光光束偏轉(zhuǎn)角的測量中，信號通常很微 弱，盡管經(jīng)過前置放大電路后信號得到增強(qiáng)，但仍很小，需要對其進(jìn) 行再一次的放大。本發(fā)明采用次級放大電路模塊14對濾波后的信號 進(jìn)行再次放大，得到信號US1、 US2、 US3、 US4，增大有效信號的幅 度，提高信噪比。 '(6) 采用自適應(yīng)可變增益放大電路模塊15,此為本發(fā)明的一發(fā) 明點。通過該模塊的采用能根據(jù)當(dāng)前信號的強(qiáng)度改變放大倍數(shù)，使放 大后的信號幅度保持在一個較高的水平，能夠提高檢測精度。采用自適應(yīng)可變增益放大電路以使信噪比保持在一個高的狀態(tài)，保證光斑偏移量解算精度的穩(wěn)定性由于傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸過程中難免會受到其它因素的干擾，造成 信號強(qiáng)度降低，在放大倍數(shù)相同的情況下，降低了信號的信噪比，導(dǎo) 致偏移量解算精度的降低。本發(fā)明采用自適應(yīng)可變增益放大電路模塊15對信號US1、 US2、 US3、 US4進(jìn)行處理(在信號較弱的時候提高放 大倍數(shù)，在信號過強(qiáng)的時候降低放大倍數(shù))，得到信號UA1、 M2、 UA3、UA4。
(7) 在對信號進(jìn)行可變增益放大后，采用四路AD轉(zhuǎn)換電路16將模擬信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號在對信號進(jìn)行可變增益放大后，采用AD轉(zhuǎn)換模塊16將四路模擬 信號UA1、 UA2、 UA3、 UA4轉(zhuǎn)變成為四路串行數(shù)字信號ADC1、 ADC2、 ADC3、 ADC4。在四路AD轉(zhuǎn)換電路16中，可根據(jù)需要的轉(zhuǎn)換精度、信 號電壓的范圍、通道的數(shù)量、通道AD轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換方式(同步轉(zhuǎn)換或 順序轉(zhuǎn)換)等選擇合適的AD轉(zhuǎn)換器，同時為保證四個通道能夠同時 采樣，并相互獨立以減小速道間的相互干擾，選擇需要的AD轉(zhuǎn)換器 的數(shù)量。在該模塊中還需要對自適應(yīng)可變增益放大電路模塊15的輸 出信號進(jìn)行處理，以滿足AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號性能要求，達(dá)到最佳 的AD轉(zhuǎn)換性能。(8) 采用高速微處理器17，此為本發(fā)明的一發(fā)明點。在對四路 模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號輸出到高速微處 理器17進(jìn)行處理在對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸出到高速微處 理器17進(jìn)行處理。在該模塊中需要完成四通道數(shù)字信號ADC1、 ADC2、 ADC3、 ADC4的數(shù)字濾波處理，對QD光電探測器四個象限非均勻性及 后續(xù)處理電路四個通道間的不均勻性等進(jìn)行補(bǔ)償，自適應(yīng)可變增益放 大電路模塊15的放大倍數(shù)的控制，QD光電傳感器上光斑偏移量解算、 激光光束偏轉(zhuǎn)角解算，偏移量的傳輸工作。由于高度微處理器(如 DSP、 FPGA等)的運(yùn)算速度非?？?，能達(dá)幾十兆、上百兆甚至上千兆， 同時這類高速微處理器的運(yùn)算精度也很高，大多都能夠大于16位，
幾乎都大于單片機(jī)的處理速度和處理精度，因此能夠迅速完成這些工 作，得出激光光束偏轉(zhuǎn)角，從而達(dá)到很高的光束偏轉(zhuǎn)角解算速度，并 同時提高光束偏轉(zhuǎn)角的解算精度。
(9)采用了偏移量顯示模塊18，便于人眼觀察。本發(fā)明采用了偏移量顯示模塊18，將激光光束的偏轉(zhuǎn)角信息顯示出來。該顯示模塊可由上位機(jī)接收高速微處理器模塊解算所得的激光光束偏轉(zhuǎn)角，然后在上位機(jī)上顯示；也可由另外的MCU通過數(shù)碼管、液晶顯示屏或其 它顯示裝置顯示激光光束的偏轉(zhuǎn)角。
本發(fā)明的效果本發(fā)明由于采用了全數(shù)字處理的方式能夠克服由 于前級信號調(diào)理的模擬電路各通道間性能參數(shù)不均衡帶來的測量精 度降低的缺點；因采用加減法電路所帶來的電路共模電壓、失調(diào)電壓 等的影響帶來的解算精度的下降；以及因采用自適應(yīng)可變增益放大電 路使該方法能夠通過根據(jù)輸入信號強(qiáng)弱自動改變增益大小的方式來 維持進(jìn)入AD采集單元時信號強(qiáng)度的大小，克服了因輸入光強(qiáng)變化所 帶來的信噪比下降而導(dǎo)致解算精度降低的缺點；以及因采用高速微處 理器進(jìn)行光束偏轉(zhuǎn)角解算的方式克服了因采用單片機(jī)解算所造成的 解算速度不快的缺點。


圖l為激光束偏移角測量光路圖。圖1的1表示的是QD的光敏 面。2是成像物鏡單元2。
圖2為光斑在QD探測器光敏面上的示意圖。在圖2中，1是QD 光電探測器，2是成像物鏡單元2， 3是成像光斑3， 4是第一象限4，5是第二象限，6是第三象限6， 7是第四象限7。圖3為全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光光束偏轉(zhuǎn)角的裝置結(jié) 構(gòu)框圖。此圖也是摘要附圖。在圖3中，2是成像物鏡，3是成像光斑3， 8是第一象限所得電 流8，令為Il， 9是第二象限所得電流9，令為12， IO是第三象限所 得電流IO，令為I3; U是第四象限所得光電流U，令為14。圖4是已有技術(shù)的采用四象限探測器作為其光電傳感器，其處理 電路圖。圖5是四象限探測器前置放大電路其中第一象限的電路圖。 圖6是四象限探測器第一象限濾波電路的電路圖。 圖7是四象限探測器第一象限次級放大電路的電路圖。
具體實施方式
實施例1將模擬電路的電路圖給出來了，由于自適應(yīng)可變增益放大電路、 AD轉(zhuǎn)換電路和微處理器電路可直接在器件的Datasheet里面的應(yīng)用 電路進(jìn)行設(shè)計，模擬電路才是真?zhèn)€電路的核心，所以只給出了模擬部 分的電路圖。如圖3所示， 一種全數(shù)字化的檢測激光光束偏轉(zhuǎn)角的裝置的構(gòu)成 由QD光電探測器1、前置放大電路模塊12、濾波電路模塊13、次 級放大電路模塊14、自適應(yīng)可變增益放大電路模塊15、四路AD轉(zhuǎn)換 電路16、高速微處理器17和偏移量顯示模塊18構(gòu)成；前置放大電路模塊12、濾波電路模塊13、次級放大電路模塊14、可變增益放大電路模塊15、 AD轉(zhuǎn)換模塊16、高速微處理器模塊17和偏移量顯示模塊18依次連接；高速微處理器模塊17還與可變增益放大電路模塊15連接。'下面結(jié)合附圖，提供全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光束偏轉(zhuǎn)角的方法，其歩驟和條件如下在圖1中，激光束經(jīng)成像物鏡單元2聚焦到QD光電探測器的光 敏面1上，在這期間，還需要調(diào)整QD光電探測器的光敏面相對于成 像物鏡單元2的位置，使QD光電探測器的光敏面上的成像光斑的大 小能夠在0. 1倍到1倍的QD光電探測器的光敏面內(nèi)接圓直徑范圍內(nèi) 調(diào)整，這樣以達(dá)到最佳的探測性能。在圖2中，激光光束經(jīng)成像物鏡2后的成像光斑3位于QD光電 探測器l的光敏面2的四個象限第一象限4，第二象限5，第三象 限6和第四象限7中，在QD光電探測器將各個象限上的光能轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)的電流的時候，由于成像光斑3的光能在四個象限上的分量不 同，導(dǎo)致由QD光電探測器轉(zhuǎn)換所得的各個象限的電流大小也不相同， 因為激光的譜線寬度很窄，相對于QD光電探測器的光譜響應(yīng)曲線來 說，可以認(rèn)為激光源為線光源，即QD光電探測器的響應(yīng)度在該激光 光束波段范圍內(nèi)為常數(shù)，則QD光電探測器各象限的響應(yīng)電流與該象 限所得的光功率大小成正比。它們直接反應(yīng)了光斑能量中心相對于 QD光電探測器像敏面四個象限所形成坐標(biāo)系內(nèi)的位置，由該位置即 可求的激光束的偏轉(zhuǎn)角。在圖3中，QD光電探測器將激光光束經(jīng)成像物鏡2后的成像光斑
3對應(yīng)于QD探測器四個象限上的光能及光斑的位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的四路電信號第一象限所得電流8，令為II;第二象限所得電流9， 令為I2;第三象限所得電流IO，令為I3;第四象限所得光電流ll， 令為14。這四路電流信號經(jīng)前置放大電路模塊將電流信號轉(zhuǎn)換為電 壓信號，并將其放大。前置放大電路模塊12有如下3種實現(xiàn)方式(1)采用零偏放大的方式將由QD光電探測器所得的電流信號(11， 12， 13， 14)直接轉(zhuǎn)換 成電壓信號，同時使之得到放大；(2)讓QD光電探測器工作在反相 偏壓的工作狀態(tài)下，采用直流放大的形式將由QD光電探測器所得的 電流信號(II, 12， 13， 14)轉(zhuǎn)換為電壓信號，并使之放大；(3)讓QD 光電探測器工作在方向偏壓的工作狀態(tài)下，采用交流放大的形式將由 QD光電探測器所得的電流信號(11,12,13,14)轉(zhuǎn)換為電壓信號，并 使之放大。如可采用第二種實現(xiàn)方式，前置放大電路以第一象限為例， 如圖5所示。由于QD光電探測器固有噪聲、前置放大電路的固有噪聲、背景 噪聲等噪聲的影響，導(dǎo)致前置放大后的信號其信噪比較低。本發(fā)明中 采用濾波電路模塊13對其進(jìn)行濾波，以提高信噪比。根據(jù)光信號的 頻帶以及應(yīng)用要求可設(shè)計具體的濾波電路以達(dá)到最好的濾波效果，提 高信噪比，提高光斑偏移量的解算精度。以第一象限為例，濾波電路 可如圖6所示進(jìn)行設(shè)計。由于在進(jìn)行遠(yuǎn)距離的激光光束偏轉(zhuǎn)角的測量 中，信號通常很微弱，盡管經(jīng)過前置放大電路后信號得到增強(qiáng)，但仍 很小，需要對其進(jìn)行再一次的放大。本發(fā)明采用次級放大電路模塊14對濾波后的信號進(jìn)行再次放大，增大有效信號的幅度，提高信噪 比。以第一象限為例，次級放大電路可如圖7所示。同時由于傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸過程中難免會受到其它因素的干擾， 造成信號強(qiáng)度降低，在放大倍數(shù)相同的情況下，降低了信號的信噪比， 導(dǎo)致偏移量解算精度的降低。本發(fā)明采用自適應(yīng)可變增益放大電路模 塊15對其進(jìn)行處理，在信號較弱的時候提高放大倍數(shù)，在信號過強(qiáng) 的時候降低放大倍數(shù)，以使信噪比保持在一個高的狀態(tài)，保證光斑偏 移量解算精度的穩(wěn)定性。此處電路圖可參考所選用的可變增益放大器的Datasheet進(jìn)行設(shè)計。在對信號進(jìn)行可變增益放大后，采用AD轉(zhuǎn)換模塊16將模擬信號 轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號。在四路AD轉(zhuǎn)換電路16中，可根據(jù)需要的轉(zhuǎn)換精 度、信號電壓的范圍、通道的數(shù)量、通道AD轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換方式(同步 轉(zhuǎn)換或順序轉(zhuǎn)換)等選擇合適的AD轉(zhuǎn)換器，同時為保證四個通道能 夠同時采樣，并相互獨立以減小通道間的相互干擾，選擇需要的AD 轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。在該模塊中還需要對自適應(yīng)可變增益放大電路模塊 15的輸出信號進(jìn)行處理，以滿足AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號性能要求，達(dá) 到最佳的AD轉(zhuǎn)換性能。此處AD轉(zhuǎn)換器可選用單通道的，其電路可參 考器件的Datasheet進(jìn)行設(shè)計。在對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸出到高速微處 理器17進(jìn)行偏移量解算。在該模塊中需要完成四通到數(shù)字信號數(shù)字 濾波處理，對QD光電探測器四個象限非均勻性及后續(xù)處理電路四個 通道間的不均勻性等進(jìn)行補(bǔ)償，自適應(yīng)可變增益放大電路模塊15的放大倍數(shù)的控制，QD光電傳感器上光斑偏移量解算、激光光束偏轉(zhuǎn)角解算，偏移量的傳輸?shù)裙ぷ?。由于高度微處理?如DSP、 FPGA 等)的運(yùn)算速度非?？欤苓_(dá)幾十兆、上百兆甚至上千兆，同時這類 高速微處理器的運(yùn)算精度也很高，大多都能夠大于16位，幾乎都大 于單片機(jī)的處理速度和處理精度，因此能夠迅速完成這些工作，得出 激光光束偏轉(zhuǎn)角，從而達(dá)到很高的光束偏轉(zhuǎn)角解算速度，并同時提高 光束偏轉(zhuǎn)角的解算精度。為便于人眼觀察，本發(fā)明采用了偏移量顯示模塊18，將激光光束 的偏轉(zhuǎn)角信息顯示出來。該顯示模塊可由上位機(jī)接收高速微處理器模 塊解算所得的激光光束偏轉(zhuǎn)角，然后在上位機(jī)上顯示；也可由另外的 MCU通過數(shù)碼管、液晶或其它顯示裝置顯示激光光束偏轉(zhuǎn)角。
權(quán)利要求
1、全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光束偏轉(zhuǎn)角的裝置，有前置放大電路(12)、濾波電路(13)、AD轉(zhuǎn)換電路(16)、偏移量顯示模塊(18)其特征在于，其特征在于，還有四象限探測器(1)、次級放大電路模塊(14)、可變增益放大電路模塊(15)和高速微處理器模塊(17)構(gòu)成；前置放大電路模塊(12)、濾波電路模塊(13)、次級放大電路模塊(14)、可變增益放大電路模塊(15)、AD轉(zhuǎn)換模塊(16)、高速微處理器模塊(17)和偏移量顯示模塊(18)依次連接；高速微處理器模塊(17)還與可變增益放大電路模塊(15)連接。
2、全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光光束偏轉(zhuǎn)角的方法，其特 征在于，步驟和條件如下1)調(diào)整四象限探測器(1)的光敏面相對于成像物鏡單元(2) 的位置，以調(diào)整成像光斑在四象限探測器(l)光敏面上的大小激光光束經(jīng)成像物鏡單元(2)聚焦到四象限探測器(1)的光敏 面上，調(diào)整四象限探測器(l)的光敏面相對于成像物鏡單元(2)的位 置，使四象限探測器(l)的光敏面上的成像光斑(3)的大小能夠在0. 1 倍到1倍的四象限探測器(l)光敏面內(nèi)接圓直徑內(nèi)調(diào)整；2) 測量成像光斑在四象限探測器(l)的四個象限所產(chǎn)生的光電流；3) 將光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將其放大 四象限探測器(1)將激光光束經(jīng)成像物鏡單元(2)后的成像光斑(3)對應(yīng)于四象限探測器的(l)四個象限上的光能及光斑的位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的四路電信號第一象限所得電流(8)，令為II; 第二象限所得電流(9)，令為12;第三象限所得電流(10)，令為13; 第四象限所得光電流(11)，令為14，這四路電流信號經(jīng)前置放大電 路模塊(12)將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將其放大；有如下方式: 所述的前置放大電路模塊(12)，采用零偏放大的方式，將由四 象限探測器(l)所得的電流信號II， 12， 13， 14直接轉(zhuǎn)換成電壓信號， 同時使之得到放大；或者，讓四象限探測器(l)工作在反相偏壓的工作狀態(tài)下，采用直流放大的形式，將由四象限探測器(l)所得的電流信號H，I2，I3，I4轉(zhuǎn)換為 電壓信號，并使之放大；或者，讓四象限探測器(l)工作在反相偏壓的工作狀態(tài)下，采用交流放大 的形式，將由四象限探測器(l)所得的電流信號II, 12， 13,14轉(zhuǎn)換為 電壓信號，并使之放大；4)采用濾波電路模塊(13)對步驟3)得到的前置放大后的信號 進(jìn)行濾波提高信噪比；5) 采用次級放大電路模塊(14)，對步驟4)的濾波后的信號進(jìn) 行再次放大，增大有效信號的幅度，提高信噪比6) 采用自適應(yīng)可變增益放大電路模塊(15)對步驟5)得到的 信號進(jìn)行進(jìn)一步放大，在信號較弱的時候提高放大倍數(shù)，在信號過強(qiáng) 的時候降低放大倍數(shù)，以使信噪比保持在一個高的狀態(tài)，保證光斑偏 移量解算精度的穩(wěn)定性；7) 對歩驟6)得到的信號通過四路AD轉(zhuǎn)換電路(16)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號在四路AD轉(zhuǎn)換電路(16)中，可根據(jù)自適應(yīng)可變增益放大電路 模塊(15)后輸出信號的幅值范圍確定AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換電壓范圍；四路AD轉(zhuǎn)換電路能夠同時進(jìn)行四路AD轉(zhuǎn)換，并有較好的集成線性誤 差和差分線性誤差，同時盡量在四路AD轉(zhuǎn)換的時候無串?dāng)_，根據(jù)上 述要求可選取合適的AD轉(zhuǎn)換芯片以及芯片的數(shù)量；8) 在對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸出到高速微處理器(17)進(jìn)行偏移量解算在該模塊中需要完成AD轉(zhuǎn)換芯片的控制，ADC1、 ADC2、 ADC3、 ADC4四通道數(shù)字信號的數(shù)字濾波處理，對四象限探測器(1)的四個 象限非均勻性及后續(xù)處理電路四個通道間的不均勻性等進(jìn)行補(bǔ)償，自 適應(yīng)可變增益放大電路模塊(15)的放大倍數(shù)的控制，四象限探測器 (1)上光斑偏移量解算、激光光束偏轉(zhuǎn)角解算和偏移量的傳輸，得 出激光光束偏轉(zhuǎn)角；9) 采用偏移量顯示模塊(18)，將激光光束的偏轉(zhuǎn)角信息顯示出來該顯示模塊可由上位機(jī)接收高速微處理器模塊解算所得的激光 光束偏轉(zhuǎn)角，然后在上位機(jī)上顯示；或者，由另外的微控制器通過數(shù) 碼管、液晶顯示屏或其它顯示裝置顯示激光光束的偏轉(zhuǎn)角。
3、如權(quán)利要求2所述的全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光束偏 轉(zhuǎn)角的方法，其特征在于，所述的步驟3)中的前置放大電路模塊(12)， 采用零偏放大的方式，將由四象限探測器(1)所得的電流信號 II， 12， 13， 14直接轉(zhuǎn)換成電壓信號，同時使之得到放大。
4、 如權(quán)利要求2所述的全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光束偏 轉(zhuǎn)角的方法，其特征在于，所述的步驟3)中的前置放大電路模塊(12)， 讓四象限探測器(1)工作在反相偏壓的工作狀態(tài)下，采用直流放大 的形式，將由四象限探測器(1)所得的電流信號II， 12， 13， 14轉(zhuǎn)換 為電壓信號，并使之放大。
5、 如權(quán)利要求2所述的全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光束偏 轉(zhuǎn)角的方法，其特征在于，所述的步驟3)中的前置放大電路模塊(12)， 讓四象限探測器(1)工作在反相偏壓的工作狀態(tài)下，采用交流放大 的形式，將由四象限探測器(1)所得的電流信號II， 12， 13， 14轉(zhuǎn)換 為電壓信號，并使之放大。
全文摘要
本發(fā)明涉及全數(shù)字化的四象限探測器檢測激光光束偏轉(zhuǎn)角的裝置及方法。該裝置有前置放大電路(12)、濾波電路(13)、AD轉(zhuǎn)換電路(16)、偏移量顯示模塊(18)，還有四象限探測器(1)、次級放大電路模塊(14)、可變增益放大電路模塊(15)和高速微處理器模塊(17)構(gòu)成；本發(fā)明由于采用了全數(shù)字處理的方法解決了測量精度降低的問題；采用自適應(yīng)可變增益放大電路使該方法能夠通過根據(jù)輸入信號強(qiáng)弱自動改變增益大小的方式來維持進(jìn)入AD采集單元時信號強(qiáng)度的大小，克服了因輸入光強(qiáng)變化所帶來的信噪比下降而導(dǎo)致解算精度降低的缺點；采用高速微處理器進(jìn)行光束偏轉(zhuǎn)角解算的方式克服了因采用單片機(jī)解算所造成的解算速度不快的缺點。
文檔編號G01D5/30GK101158590SQ20071005630
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者王乾發(fā) 申請人:長春理工大學(xué)